Luận văn Nghiên cứu tổng hợp bộ điều chỉnh lai sử dụng trong hệ thống tuỳ động

ốc có ý nghĩa quan trọng, phụ thuộc vào từng TBN và kết cấu của thùng nâng. III.1.4. Các yêu cầu cơ bản về hệ truyền động điện của thiết bị nâng - Thiết bị nâng là một trong những hệ thống vận tải quan trọng, vì vậy việc điều khiển hệ truyền động điện cho thiết bị nâng cần phải đảm bảo các yêu cầu về an toàn và kỹ thuật. Các hệ truyền động điện (TĐĐ) của thiết bị nâng cần phải đảm bảo các yêu cầu cơ bản sau: + Vận tốc thùng nâng lớn nhất khi chở hàng không được vượt quá giá trị H.8,0 , khi chở người không được vượt quá 12m/s và khi ra khỏi đường cong dỡ tải không vượt quá 1,5m/s. + Gia tốc thùng nâng khi chở người không vượt quá 0,75m/s2, khi chở hàng tuân theo quy phạm an toàn, tuy nhiên không được vượt quá 1m/s2. + Vận tốc thùng nâng khi chuyển động trong đường cong dỡ tải phải nhỏ hơn 0,6m/s, gia tốc phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,5m/s2 trong thời kỳ giảm tốc đến dừng. + Dừng máy nâng bằng phanh công tác để dừng chính xác thùng nâng tại vị trí quy định. + Hệ TĐĐ phải có công suất thiết kế và có đảo chiều quay để thực hiện chu kỳ nâng và hạ tải. + Khi tải trọng nâng thay đổi từ 15% đến 100%, hệ TĐĐ phải tạo ra các chế độ làm việc đáp ứng được yêu cầu. + Khi tải trọng nâng thay đổi trong giới hạn xác định nếu điều khiển tự động thì sai lệch cho phép của vận tốc trong khoảng (0,2-0,3)m/s, trong thời kỳ chuyển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 động đều đến vmax thì sai lệch cho phép 1%, còn trong thời kỳ chuyển động đều với vận tốc vk thì sai lệch cho phép  10%. + Hệ TĐĐ phải được trang bị các bảo vệ: Quá nâng, quá hạ, vượt quá tốc độ cho phép và các liên động nhằm đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị trong quá trình vận hành. + Dừng chính xác thùng nâng với sai lệch cho phép: tời trục 100mm, trục tải thùng skíp  200mm. + Thiết bị nâng phải được trang bị phanh công tác và phanh bảo hiểm. III.2. PHÂN TÍCH SAI SỐ TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH Khi hệ thống tùy động vị trí làm việc, muốn cho đại lượng đầu vào tái hiện ở đầu ra, nghĩa là hệ thống có độ chính xác ổn định, sai số vị trí càng nhỏ càng tốt, các máy công nghệ khác nhau đòi hỏi độ chính xác khác nhau. Ví dụ độ chính xác của hệ thống tùy động vị trí dùng cơ cấu ép trục cán ở máy cán tấm mỏng phải đạt tới ≤ 0,01mm, còn trong hệ thống tùy động vị trí rađa của pháo cao xạ, yêu cầu mức nhắm trúng mục tiêu phải đạt ≤ 0,12o. Nếu không đạt được như trên thì sản phẩm cán sẽ bị loại, đạn của súng cao xạ bắn không trúng mục tiêu. Vì vậy phân tích sai số trạng thái ổn định của hệ thống tùy động là rất quan trọng. Nhân tố ảnh hưởng tới độ chính xác ổn định của hệ thống tùy động vị trí gây ra sai số bao gồm: sai số chi tiết đo kiểm, sai số nguyên lý do cấu trúc hệ thống và tín hiệu đầu vào, sai số nhiễu do nhiễu của phụ tải gây ra. III.2.1.Sai số đo kiểm Bảng 3-2 Phạm vi sai số các loại linh kiện đo kiểm LINH KIỆN ĐO KIÊM PHẠM VI SAI SỐ Chiết áp vài độ (o) Máy tự chỉnh góc ≤ 1o Biến áp quay vài phút Bộ đồng bộ cảm ứng kiểu quay vài giây Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 Bộ đồng bộ cảm ứng kiểu trượt vài m Đĩa mã quang điện 360/N Sai số đo kiểm phụ thuộc vào độ chính xác của bản thân linh kiện đo kiểm. Linh kiện đo kiểm thường dùng trong hệ thống tùy động vị trí như sensin, bộ biến áp quay, bộ đồng bô cảm ứng đều có độ chính xác nhất định. Độ chính xác của hệ thống không thể cao hơn độ chính xác của các linh kiện đo kiểm dùng trong hệ thống. Sai số đo kiểm là bộ phận chủ yếu của sai số trạng thái ổn định của hệ thống. Để tiện tham khảo sử dụng, trong bảng 3-2 đã liệt kê phạm vi sai số các loại linh kiện đo kiểm thường dùng. III.2.2. Sai số nguyên lý ( hay còn gọi là sai số hệ thống ) Sai số nguyên lý là do cấu trúc bản thân hệ thống hoặc do đặc trưng tham số của hệ thống hoặc do dạng của tín hiệu vào. Có thể hiểu thực chất của vấn đề đó như sau: Giả thiết hàm số truyền vòng hở của hệ thống tùy động vị trí sensin có dạng: ( ) ( ) ( )pW ppD K =pW APR obj Với Kobj là hệ số khuếch đại chung của đối tượng điều khiển; WAPR(p) là hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí. +Nếu dùng bộ điều chỉnh P thì: ( ) ( ) ( )ppD pKN =pW Trong đó: N(p), D(p) là các đa thức hằng số bằng 1. Như vậy, W(p) là hệ thống loại I. W(p) (p) - (p) + (p) đ (p) Hình 3-8 Cấu trúc hệ thống tùy động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 + Nếu dùng bộ điều chỉnh PI hoặc PID thì: )p(Dp )p(KN =)p(W 2 Như vậy, W(p) là hệ thống loại II. Trên đây là hai loại cấu trúc hệ thống thường dùng của hàm số truyền mạch hở trong hệ thống tùy động vị trí và có cấu trúc đơn giản như hình 3-8. Sai số nguyên lý biểu thị bằng  hoặc es. Biến đổi Laplace đối với sai số:  17-3)(. )(1 1 )().()( p pW pppE đđp    Công thức (3-17) đã thể hiện sai số hệ thống quan hệ chặt chẽ với tín hiệu đầu vào đ(p), đồng thời cũng quan hệ tới hám số truyền W(p) của bản thân hệ thống, tức là dạng cấu trúc hệ thống. Với trạng thái cấu trúc hệ thống đã định, tín hiệu vào sẽ là nguyên nhân chủ yếu ảnh hưởng tới sai số hệ thống. III.2.2.1.Tín hiệu vào điển hình Tín hiệu vào hệ thống tuỳ động thường có 3 dạng: III.2.2.1.1. Tín hiệu vào là vị trí (tức đầu vào là tín hiệu vị trí nhảy cấp) Tín hiệu đầu vào vị trí như trên hình 3-9a. Đây là tín hiệu cho trước của máy cộng cụ điều khiển số, cơ cấu ép trục cán; vị trí cần điều khiển là những vị trí điển hình. Tín hiệu vào viết dưới dạng  tđđ 1.  , tham số đặc trưng là giá trị biên của tín hiệu. III.2.2.1.2 Đầu vào là tốc độ ( hay còn gọi là tín hiệu lên dốc) Tín hiệu đầu vào là tốc độ như trên hình 3-9b. Ví dụ tín hiệu vào của hệ thống tuỳ động của máy cắt bay và cơ cấu xọc đường thẳng của máy công cụ điều khiển số. Công thức biểu thị tín hiệu tốc độ vào được viết thành đ = At. Tham số đặc trưng là tốc độ thay đổi A của tín hiệu. III.2.2.1.3. Đầu vào là gia tốc. Tín hiệu đầu vào là gia tốc như trên hình 3-9c. Khi hệ thống tuỳ động của rađa pháo bám đuổi mục tiêu, tín hiệu vào có thể coi như ở dạng gia tốc. Công thức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 biểu thị tín hiệu gia tốc được viết dưới dạng đ = At 2 . Tham số đặc trưng là gia tốc của sự thay đổi tín hiệu. III.2.2.2.Sai số nguyên lý của hệ thống loại I Sau đây sẽ phân tích sai số nguyên lý của hệ thống điển hình loại I dưới tác dụng của các loại tín hiệu vào điển hình và với hàm số truyền của hệ thống loại I là: ( ) ( ) ( )ppD pKN =pW III.2.2.1.1.Đầu vào là vị trí đơn vị Biến đổi Laplace cho đầu vào vị trí đơn vị là: p pđ 1 )(  Sai số nguyên lý của nó là: )( )( 1 1 . 1 )(1 1 )()( ppD pKNppW ppE đp     Dùng định lý giá trị cuối của biến đổi Laplace, tìm được sai số hệ thống của hệ thống loại I là: 0 KN(p)pD(p) pD(p) (p)p.Ee limlim 0p p 0p     Biểu thức trên chứng tỏ ở tín hiệu vị trí, sai số hệ thống ở trạng thái ổn định của hệ thống điển hình loại I là bằng 0. Ý nghĩa vật lý của nó là trong hệ thống tuỳ động giữa vận tốc đến chuyển vị của động cơ là một khâu tích phân, chỉ cần  ≠ 0 là có điện áp điều khiển Uct và điện áp chỉnh lưu Ud là động cơ phải quay, khi bỏ đ (t) 0 đ (t) 0 đ (t) 0 t t t a, b, c, Hình 3-9 Tín hiệu đầu vào điển hình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 qua phụ tải trên trục động cơ, động cơ sẽ quay cho đến khi điện áp chênh lệch bằng 0 thì mới dừng lại, vì vậy sai số nguyên lý trạng thái ổn định là 0. III.2.2.1.2.Tín hiệu đầu vào là tốc độ đơn vị Biến đổi Laplace cho đầu vào vận tốc là: 2 1 )( p pđ  Sai số nguyên lý của nó là:         K 1 pKNppD pD pW1 1 . 2p 1 p.ve limlim 0p0p       Biểu thức trên chứng tỏ: Khi tín hiệu đầu vào là tốc độ, sai số nguyên lý trạng thái ổn định của hệ thống loại I bằng số nghịch đảo của hệ số khuếch đại mạch vòng hở. Ý nghĩa vật lý của nó là: Khi đầu vào là tốc độ, muốn thực hiện bám đuổi chính xác, trục đầu ra buộc phải quay đồng bộ với trục đầu vào. Vì vậy trên mạch rôto nhất định phải có Ud với giá trị xác định. Bởi vì là hệ thống loại I, trong đối tượng điều khiển đã có khâu tích phân, nên bộ khuếch đại chỉ có thể là khâu tỷ lệ. Muốn duy trì điện áp mạch rôto nhất định, đầu vào của bộ khuếch đại phải có điện áp chênh lệch. Nếu chênh áp  = 0 thì Uct = 0, Ud = 0 động cơ sẽ dừng lại không quay. Vì vậy giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống chắc chắn phải có sai số. Rõ ràng là, hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại càng lớn, sai số hệ thống trạng thái ổn định sẽ càng nhỏ. III.2.2.1.3.Đầu vào là gia tốc đơn vị Lấy Laplace tín hiệu đầu vào gia tốc đơn vị sẽ là: 3 1 )( p pđ  Sai số nguyên lý của nó là:         0 pW1 1 . p 1 p.e pKNppD ppD p 1 limlim 2 0p 3 0p a     Biểu thức trên chứng tỏ, khi tín hiệu đầu vào là gia tốc, sai số nguyên lý trạng thái ổn định của hệ thống loại I là vô cùng lớn, nghĩa là hệ thống loại I không Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 thể làm việc khi tín hiệu đầu váo là gia tốc. Ý nghĩa vật lý của nó là: đầu vào gia tốc tương đương với tốc độ của trục, đầu vào tăng lên không ngừng; nếu muốn bám đuổi chính xác, tốc độ đầu trục cũng phải tăng lên không ngừng, điện áp mạch rôto Ud cũng phải tăng lên không ngừng. Bởi vì là bộ khuếch đại tỷ lệ, điện áp đầu vào của nó cũng buộc phải tăng lên không ngừng. Nghĩa là lượng chênh lệch góc quay m tăng lên không ngừng, sai lệch giữa trục đầu ra và trục đầu vào cũng tăng theo thời gian, dẫn tới sai số nguyên lý theo chiều tăng vô cùng lớn. Tóm lại, hệ thống điển hình loại I sẽ không có sai số tĩnh khi đầu vào là tín hiệu vị trí, sẽ có sai số tĩnh khi tín hiệu đầu vào là tín hiệu vận tốc, mà độ lớn của sai số tỷ lệ nghịch với hệ số khuếch đại mạch vòng hở và sẽ không thích hợp khi đầu vào là tín hiệu gia tốc. III.2.2.3. Sai số nguyên lý hệ thống loại II Ta vẫn sử dụng hệ thống mạch vòng kín hình 3-3 để phân tích sai số nguyên lý hệ thống loại II, trong đó hàm số truyền ( ) ( ) ( )pDp pKN =pW 2 ở mẫu số đã tăng thêm một khâu tích phân để cung cấp cho bộ điều chỉnh. Sau đây cũng phân tích với ba loại tín hiệu vào điển hình. III.2.2.3.1.Đầu vào là vị trí đơn vị Biến đổi Laplace cho đầu vào vị trí đơn vị là: p pđ 1 )(  Sai số nguyên lý của nó là: 0 KN(p)D(p)p D(p)p p 1 p.e 2 2 2 0p lim     III.2.2.3.2.Tín hiệu đầu vào là tốc độ đơn vị Biến đổi Laplace cho đầu vào vận tốc là: 2 1 )( p pđ  Sai số nguyên lý của nó là:         0pW1 1 . p 1 p.e pKNpDp pDp p 1 s.limlim 2 2 2 0p2 0p v     III.2.2.3.3.Đầu vào là gia tốc đơn vị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Lấy Laplace tín hiệu đầu vào gia tốc đơn vị sẽ là: 3 1 )( p pđ  Sai số nguyên lý của nó là:         K 1 pW1 1 . p 1 p.e pKNpDp pDp p 1 p.limlim 2 2 3 0p 3 0p a     Từ những phân tích ở trên có thể thấy: Hệ thống loại II đối với đầu vào vị trí và tốc độ đều là hệ thống vô sai, có lúc gọi là vô sai cấp II. Đối với đầu vào là gia tốc, hệ thống loại II vẫn có thể dùng được, sai số nguyên lý trạng thái ổn định tỷ lệ nghịch với hệ số khuếch đại vòng hở. Nếu muốn đảm bảo hệ thống tùy động bám đuổi chính xác, hệ thống loại II có cấu trúc khá phức tạp. III.2.2.4. Nhân tố phẩm chất của trạng thái ổn định Có lúc phải mô tả năng lực bám đuổi mục tiêu của hệ thống tùy động, thường dùng: Nhân tố phẩm chất tốc độ Kv và nhân tố phẩm chất gia tốc Ka. + Nhân tố phẩm chất tốc độ được định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ của tín hiệu vào hệ thống đ và sai số nguyên lý đầu vào tốc độ đơn vị esv, tức là: v đ v e K   + Nhân tố phẩm chất gia tốc là tỷ số giữa gia tốc tín hiệu vào hệ thống đ và sai số nguyên lý đầu vào gia tốc ea, tức là: a đ v e K   Cũng có thể viết thành: a đ a v đ v K evà K e   Điều đó chứng tỏ, nhân tố phẩm chất càng lớn, sai số bám đuổi trạng thái ổn định càng nhỏ, năng lực vận hành bám đuổi mục tiêu càng mạnh. Với những định nghĩa nêu trên, ở điều kiện hệ thống ổn định, Kv và Ka có thể dùng công thức sau đây để tính:     pWp pWp p K đ đ v      1 1 1 .. lim lim 0p2 0p   Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37     pW1p pW1 1 . p p. K 2 0p 2 0p a lim lim      đ đ   Giả thiết hệ số khuếch đại mạch vòng hở của hệ thống là K, thì có thể nhận được quan hệ sau đây: +Hệ thống loại I: Kv= K, Ka= 0 +Hệ thống loại II: Kv= , Ka= K III.2.2.5. Sai số nhiễu Khi phân tích sai số nguyên lý, chỉ mới xét tới ảnh hưởng của tín hiệu đầu vào trước. Trên thực tế các loại nhiễu mà hệ thống tùy động phải gánh chịu đều ảnh hưởng tới độ chính xác bám đuổi của hệ thống. Tác dụng nhiễu thường thấy như trên hình 3- 6. Có thể quy vào 3 dạng nhiễu: Loại thứ nhất là nhiễu phụ tải, chẳng hạn là trở lực nén của cơ cấu ép trục cán là nhiễu phụ tải có giá trị cố định của hệ thống tùy động vị trí; gió cản lại ănten rađa là loại nhiễu phụ tải thay đổi bất thường tùy theo gió. Loại thứ hai là khi tham số hệ thống thay đổi, chẳng hạn như sự di dời điểm 0 trên đồng hồ đo, sự thay đổi hệ số khuếch đại của linh kiện khi bị lão hóa và sự thay đổi điện nguồn… Loại thứ 3 là loại nhiễu tiếng ồn, thông thường các loại nhiễu tiếng ồn có xuất sứ từ các thiết bị đo kiểm qua phản hồi rồi lẫn vào trong mạch điện, có thể coi như là tín hiệu cho trước đưa vào cùng một lúc với hệ thống. Thông thường nhiễu tiếng ồn có phổ tần cao hơn âm thanh. Nếu phổ tần của nó không trùng với phổ tần của tín hiệu đầu vào, hàm số truyền mạch vòng kín của hệ thống là khá dễ lựa chọn, chỉ cần làm cho dải thông tần của nó trùng với dải tần của tín hiệu. Tín hiệu tiếng ồn thuộc phía cao tần sẽ được lọc hoàn toàn. Tình hình thực tế thường phức tạp hơn, chẳng hạn như độ lệch tâm của rôto máy phát tốc sẽ tạo ra nhiễu xoay chiều, kết quả là mất đi độ nhanh nhạy và độ chính xác trạng thái động của hệ thống. Vì thế chọn thiết bị đo kiểm đối với hệ thống tùy động là cực kỳ quan trọng. Ngoài nhiễu tiếng ồn ra, dù cho nhiễu phụ tải hay nhiễu tham số hệ thống có các dạng khác nhau, nhưng chúng đều tác dụng trên đường đi tới hệ thống, chỉ có điểm tác dụng khác nhau mà thôi, vì vậy ảnh hưởng của chúng là tương tự. Dưới sẽ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 lấy loại nhiễu phụ tải giá trị không đổi làm ví dụ để phân tích ảnh hưởng của nó với sai số trạng thái ổn định. Giả thiết mômen phụ tải tác dụng trên trục động cơ là T1 với T1 = cmIdl, ảnh hưởng của nó thể hiện qua dòng điện phụ tải Idl như trong hình 3-11. Trong đó W1(p) biểu thị hàm số truyền tác dụng lại phía sau điểm Idl, trong đó bao hàm cả một khâu tích phân. Vì vậy đối với hệ thống loại I, trong W1(p) sẽ không có khâu tích phân; đối với hệ thống loại II, trong W1(p) còn có chứa một khâu tích phân. Khi đ = 0, chỉ có nhiễu phụ tải đưa vào thì lượng ra của hệ thống tùy động chỉ còn lại là sai số nhiễu phụ tải , sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống được đổi thành hình 3-12. Lợi dụng phép biến đổi đẳng trị nối phản hồi sơ đồ cấu trúc, ta có: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )pWpW+1 pW = 1+pTRpI pθΔ 21 2 ldl Khuếch đại nhạy pha Bộ điều chỉnh vị trí đ (p) - (p) + Thay đổi nguồn (p) Hình 3- 10 Nhiễu động trong hệ thống tùy động vị trí Di dời của điểm 0 Khuếch đại công suất đảo chiều Động cơ Bộ giảm tốc Dao động của mạng điện Nhiễu của phụ tải Ma sát khô Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 Đặt e1 biểu thị sai số nhiễu do mômen phụ tải gây ra, e1= . Lấy Laplace, sẽ có Et(p) = (p), do đó ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]1+pTRpI pWpW+1 pW =pθΔ=pE 1dl 21 2 t Đối với nhiễu dòng điện phụ tải đơn vị hằng số đơn vị, Idl(p)= 1/p, lúc đó: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1+pTRp p 1 . pWpW+1 pW =pθΔ=pE 1 21 2 t +Khi sử dụng hệ thống loại I, có thể coi: ( ) ( ) ( ) ( )ppD pNK =)p(W, pD pNK =)p(W 2 22 2 1 11 1 Sai số nhiễu sẽ là:                      1pTRp p 1 pWpW1 pW ppEe 1 21 2 0p 1 0p t limlim Đối với nhiễu phụ tải thực tế Idl(p)= -Idl/p thay vào công thức tính sai số nhiễu sẽ được : 1 dl dl K RI e  Biểu thức trên chứng tỏ : Nhiễu phụ tải hằng số sẽ làm cho hệ thống loại I sinh ra sai số ở trạng thái ổn định, độ lớn của tỷ lệ nghịch với K1, nhưng tỷ lệ thuận với IdlR. + Khi sử dụng hệ thống loại II, W2(p) giống như ở hệ thống loại I,còn : W1(p) W2(p) (p) Udo(p) R(T1p +1) Idl(p) - đ (p) - + Hình 3-11 Ảnh hưởng của nhiễu phụ tải đối với hệ thống tùy động vị trí -Idl(p) W1(p) W2(p) (p) Udo(p) R(T1p+1) + - Hình 3-12 Cấu trúc trạng thái động ở trạng thái nhiễu phụ tải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 ( ) ( ) ( )ppD pNK =pW 1 11 1 Sai số nhiễu lúc này là :                0 pDpDp pNpNKK 1 ppD pNK 1pTRe 21 2 2121 2 22 1 0p t Lim     Điều đó chứng tỏ, trong hệ thống loại II vì ở bộ điều chỉnh nhiễu phụ tải, cấu trúc hệ thống loại II tốt hơn loại I. III.3. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY NÂNG Ngày nay việc ứng dụng hệ truyền động một chiều T –D với mạch vòng phản hồi kín nhằm đảm bảo tốt các chi tiêu tĩnh và động của hệ thống ngày càng được sử dụng phổ biến, rộng rãi, nó có khả năng ứng dụng cho hệ truyền động có công suất nhỏ đến công suất lớn. Cấu trúc hệ thống điều khiển T – D với ba mạch vòng kín tốc độ quay, dòng điện và vị trí như hình 3-13 Hình 3-13. Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - Động cơ. Chức năng của các khối như sau: VF, VR – hai bộ chỉnh lưu có điều khiển mắc song song ngược. Bằng cách điều khiển các nhóm van trong bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra các chế độ dừng, quay thuận, quay ngược của động cơ... R RI GTF GTR -1 -Un -Ui U * i Uci TM VF VR Đ FT TA Lc1 Lc2 Lc3 Lc4 R - ® SV Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 RI, R, R - các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và vị trí nó có nhiệm vụ tổng hợp và tạo ra điện áp điều khiển đưa tới các mạch phát xung. Bằng cách lựa chọn các lượng phản hồi, lượng đặt các thông số của bộ điều chỉnh tốc độ R, bộ điều chỉnh dòng điện RI và bộ điều chỉnh vị trí R thích hợp sẽ đảm bảo chất lượng của hệ thống ở chế độ tĩnh và động. Hệ thống truyền động điện như đã giới thiệu ở hình 3-1 là hệ tự động điều chỉnh điện áp với ba mạch vòng phản hồi đó là phản hồi dòng điện, phản hồi tốc độ và phản hồi vị trí. Kết quả của vấn đề thiết kế hệ thống đảm bảo các chỉ tiêu về mặt chất lượng động như: Độ quá điều chỉnh, tốc độ, thời gian điều chỉnh, số lần dao động. Ở hệ điều chỉnh tự động, cấu trúc mạch điều khiển và các thông số của bộ điều khiển có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ. Vì vậy, khi thiết kế ta cần phải thực hiện các thuật toán nhằm đáp ứng các yêu cầu đặt ra. Một số tiêu chuẩn thiết kế hay được sử dụng là tiêu chuẩn môdun tối ưu, tiêu chuẩn môdun đối xứng. III.3.1. Hàm truyền của động cơ điện Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn được dùng phổ biến trong các hệ truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều từ vài W đến hàng MW. Mạch điện thay thế của động cơ một chiều như hình 3-14. Hình 3-14. Mạch điện thay thế của động cơ một chiều. Lư CF E  M MC UK ik U Rư RK Id UK  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 Hệ thống mô tả động cơ Đ thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ , mômen quay M, dòng điện phần ứng I hoặc vị trí của Rotor . Mômen tải MC là mômen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải MC là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ Truyền động điện tự động. Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì có thể viết được các phương trình mô tả sơ đồ thay thế hình (3-14) như sau: Mạch kích từ có hai biến là dòng điện kích từ ik và từ thông  phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt: Uk(p) = RkIk(p) + Nk.P. (p) (3-18) Trong đó: Nk – số vòng dây cuộn kích từ. Mạch phần ứng: U(p) = Rư.I(p) + LưpI(p) + E(p) (3-19) Hay  E(p)U(p) pT1 /R1 pI u u    Trong đó: Lư - điện cảm mạch phần ứng. Tư = Lư/Rư – Hằng số thời gian mạch phần ứng. Phương trình truyền động của hệ: M(p) – MC(p) = jp (3-20) Trong đó j là mômen quán tính của các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ. Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Ta thấy rằng sơ đồ này là phi tuyến mạch, trong tính toán ứng dụng thường dùng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc. Độ dốc của đặc tính từ hoá và đặc tính mômen tải khi bỏ qua hiện tượng từ trễ tương ứng là: Bcb c ;0ko k k ω,MΔω ΔM =BI,Φ ΔI ΔΦ =k Hình 3-16 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải IK0 IK KK  0 0 MC C CB MCB 0 B  ik  MC jp 1 M k  1 pNK RK NK Rư 1 1 + pTư UK U - - - Hình 3-15 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 Tại điểm làm việc xác lập có: điện áp phần ứng U0, dòng điện phần ứng I0, tốc độ quay B, điện áp kích từ Uk0, từ thông 0, dòng điện kích từ Ik0 và mômen tải MCB. Biến thiên nhỏ các đại lượng trên tương ứng là: U(p), I(p), (p), Uk(p), Ik(p), (p) và Mc(p). Phương trình mô tả động cơ có thể viết dưới dạng sau: Mạch phần ứng: U0 + U(p) = Rư[I0 + I(p)] + pLư[I0 + I(p)] + K[0 + (p)].[B + (p)] (3-21) Mạch kích từ:Uk0 + Uk(p) = Rk[Ik0 + Ik(p)] + pLk[Ik0 + Ik(p)] (3-22) Phương trình truyển động cơ học: K[0 + (p)].[I0 + I(p)] – [MB - Mc(p)] = Jp.[B + (p)] (3-23) Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên có thể viết được các phương trình của gia số: U(p) – [K. B. (p) + K. 0. (p)] = RưI(p).(1+ pTư) (3-24) Uk(p) = Rk. Ik(p).(1+ pTk) (3-25) K.I0. (p) + K.0. I(p)] - Mc(p) = Jp.(p) (3-26) Từ phương trình (3-24), (3-25), (3-26) ta có sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập như hình 3-17. Hình 3-17 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá.  jp 1 M  1/Rư 1 + pTư UK U - K0 M K0 KB KI0 KK 1/Rk 1 + pTk - Ik I B Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 Khi giữ nguyên từ thông kích từ không đổi: K = const U(p) = RưI(p).(1+PTư) + K(p) (3-27) K.I(p) – MC(p) = Jp(p) (3-28) Sơ đồ cấu trúc động cơ khi từ thông không đổi được thể hiện trên hình 3-18. Hình 3-18 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi. Bằng phương pháp đại số sơ đồ cấu trúc ta có sơ đồ thu gọn: Hình 3-19. Các sơ đồ cấu trúc thu gọn: a) Theo tốc độ; b) Theo dòng điện.  jp 1 1/Rư 1 + pTư U - K MC K - I M E  U - 1pTpTT K c 2 c• d  1pTpTT P)T(1KR c 2 c• •d . •   MC a) I U - MC 1pTpTT P/RT c 2 c• •c  1pTpTT K c 2 c• d  Ic Iđg b) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 Ud Ud0 Ud0 1 Ud0 2 Uct Uct1 Uct2 t1 t2 t3 t4 1  2  Hình 3-20 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh lưu Trong đó: Hệ số khuếch đại của động cơ: Kđ = 1/K. Hằng số thời gian cơ học: Tc = Rư.J/(K) 2 . (3-31) 1pTpTT KΦ (p)M •R cU(p)p.T I(p) c 2 c• c    (3-32) Các hàm truyền của động cơ có dạng: 1pTpTT K U(p) (p) c 2 c• d   ω (3-33) 1pTpTT PT R 1 U(p) (p) c 2 c• c •   . I (3-34) 1pTpTT P)T(1KR (p)M (p) c 2 c• •d . • c    ω (3-35) 1pTpTT K (p)M (p) c 2 c• d c   I (3-36) III.3.2. Bộ chỉnh lƣu bán dẫn Thyristor Bộ phận chỉnh lưu bán dẫn thyristo cần điều khiển không bao giờ tách khỏi mạch điện phát xung, vì vậy khi phân tích hệ thống thường xem chúng như một khâu, Lượng đầu vào của khâu này là điện áp điều khiển Uct của mạch phát xung, lượng đầu ra là điện áp chỉnh lưu không tải lý tưởng Ud0. Nếu coi hệ số khuyếch đại Ks giữa chúng bằng hằng số, thì bộ phát xung và chỉnh lưu bán dẫn được coi là khâu khuyếch đại thuần tuý chậm sau (trễ), mà tác dụng chậm sau là do thời gian mất điều khiển của bộ bán dẫn gây ra. Thời gian mất điều khiển Ts có độ lớn thay đổi theo thời điểm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 phát sinh sự biến động của điện áp điều khiển Uci. Thời gian mất điều khiển lớn nhất có thể xẩy